EP0194910B1 - Fibres de verre résistant aux milieux basiques et application de celles-ci au renforcement du ciment - Google Patents

Fibres de verre résistant aux milieux basiques et application de celles-ci au renforcement du ciment Download PDF

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EP0194910B1
EP0194910B1 EP86400290A EP86400290A EP0194910B1 EP 0194910 B1 EP0194910 B1 EP 0194910B1 EP 86400290 A EP86400290 A EP 86400290A EP 86400290 A EP86400290 A EP 86400290A EP 0194910 B1 EP0194910 B1 EP 0194910B1
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glass
glass fibres
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Marie-Hélène Chopinet
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Saint Gobain Adfors SAS
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Vetrotex Saint Gobain SA
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C13/00—Fibre or filament compositions
    • C03C13/001—Alkali-resistant fibres
    • C03C13/002—Alkali-resistant fibres containing zirconium

Definitions

  • the present invention relates to glass fibers capable of withstanding attack from strongly basic media and capable of serving as reinforcing elements for cement-based products.
  • Glass fibers mechanically drawn from molten glass flowing through the orifices of a die heated by the Joule effect, have a particularly high tensile strength and modulus of elasticity compared to other organic fibers or mineral. Therefore, they are a material of choice to improve the mechanical properties of many composite products.
  • the glass fibers When it comes to reinforcing cement-based products, the glass fibers must have, in addition to good mechanical properties, excellent chemical resistance in basic medium.
  • glass fibers are always corroded in the presence of the saturated solution of Ca (OH) 2 impregnating the cement matrix, it is possible to minimize their attack by means of appropriate glass compositions.
  • the resistance of the glass fibers is greatly increased by using glass compositions comprising a high content of zirconia (ZrO2).
  • ZrO2 zirconia
  • the incorporation of zirconia in the glass compositions is in particular recommended by the British patent n ° 1 243 972 and the American patent n ° 3 861 926. If the introduction of zirconia in the glass compositions appreciably increases their resistance to Regarding basic environments, it has certain drawbacks, however.
  • TSD devitrification temperature
  • the subject of the invention is glass fibers capable of being obtained by mechanical drawing of a glass which satisfies the conditions previously expressed and the cost of which is as low as possible.
  • the subject of the invention is also glass fibers, the composition of which comprises a small number of constituents and all of them at a reduced price, with the exception of zirconia which is introduced however in moderate quantity, said fibers nevertheless exhibiting excellent resistance. in basic environments.
  • the sum SiO2 + Al2O3 will preferably be less than or equal to 68%.
  • the improvement in the chemical resistance of a glass embedded in a cement-based matrix is generally due to the joint action of ZrO2 and one or more other oxides.
  • the most common and certainly the most economical combination of oxides is that combining ZrO2 and one or more alkaline earth oxides; unfortunately these latter oxides most often increase the risk of devitrification.
  • the glasses according to the invention have excellent resistance to basic media, despite the fact that they contain only one active oxide in this respect, zirconia, and that this oxide is introduced in moderate quantity. This is all the more advantageous since maintaining the zirconia within the above limits avoids excessively increasing the viscosity of the glasses and the risks of devitrification.
  • This advantage makes it possible to use only the alkaline oxides Na2O and K2O to adjust the viscosity of the glass so that the fiberizing temperature T F remains less than or equal to 1480 ° C, while maintaining a sufficient gap with the TSD.
  • the glasses of the invention have excellent characteristics especially when the percentage of Na2O is maintained between 13 and 19% and when that of K2O does not exceed 6%. It is in particular desirable that the sum Na2O + K2O remains between 15 and 20%.
  • the glass fibers according to the invention can be advantageously used to reinforce cement-based products, as demonstrated by the experimental results set out below.
  • the capacity for reinforcing the cement of glass fibers corresponding to a determined composition can be evaluated by measuring the change in the tensile strength of said fibers, after a more or less long stay in a suspension of Portland cement in water.
  • the ratio of the quantities of water and cement is such that the pH of the solution is equal to 12.6.
  • the fibers intended to be tested are immersed in this suspension brought permanently to the temperature of 80 ° C. Aging times range from 1 to 17 days.
  • the figure shows the evolution of the tensile strength of fibers whose composition corresponds to that of column No. 1 of the table.
  • the figure also represents the evolution of the tensile strength of fibers of a known glass, obtained under the same conditions as those of glass No. 1 and subjected to the same aging.
  • Known glass, the ability of which to strengthen cement has been demonstrated, is marketed under the brand name "Cemfil" and belongs to the compositions described in French Patent No. 2,053,211.
  • the cement-based products can be reinforced only with glass fibers according to the invention or by combining them with other organic or mineral fibers, such as cellulose fibers or asbestos fibers.
  • the glass fibers according to the invention can be incorporated into the cement matrix in the form of continuous strands or cut fibers, such as, for example, wicks, ribbons, mats, fabrics, etc.
  • cement here refers to ordinary hydraulic cements such as Portland cement.
  • cement-based product designates all products formed from a mixture of cement and aggregates or other materials such as sand, mica, ultrafine silica, ash, etc.

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Description

  • La présente invention concerne des fibres de verre susceptibles de résister à l'attaque de milieux fortement basiques et aptes à servir d'éléments de renforcement aux produits à base de ciment.
  • Les fibres de verre, étirées mécaniquement à partir du verre fondu s'écoulant par les orifices d'une filière chauffée par effet Joule, possèdent une résistance à la traction et un module d'élasticité particulièrement élevés, comparativement à d'autres fibres organiques ou minérales. De ce fait, elles constituent un matériau de choix pour améliorer les propriétés mécaniques de nombreux produits composites.
  • Lorsqu'il s'agit de renforcer des produits à base de ciment, les fibres de verre doivent présenter, outre de bonnes propriétés mécaniques, une excellente résistance chimique en milieu basique.
  • Si les fibres de verre sont toujours corrodées en présence de la solution saturée de Ca(OH)₂ imprégnant la matrice de ciment, il est possible de minimiser leur attaque grâce à des compositions de verre appropriées.
  • Ainsi, la résistance des fibres de verre est fortement accrue en utilisant des compositions de verre comprenant une teneur élevée en zircone (ZrO₂). L'incorporation de zircone dans les compositions de verre est notamment préconisée par le brevet britannique n° 1 243 972 et le brevet américain n° 3 861 926. Si l'introduction de zircone dans les compositions de verre augmente sensiblement leur résistance à l'égard des milieux basiques, elle présente toutefois certains inconvénients.
  • Ainsi la présence de cet oxyde dans les verres augmente leur viscosité et élève considérablement la température supérieure de dévitrification (TSD). Les verres devenant plus visqueux, la température de fibrage (TF) augmente mais parfois moins rapidement que la TSD. Lorsque la teneur en zircone s'accroit, l'écart entre ces températures devient de plus en plus faible et la TSD peut même devenir supérieure à TF. Les risques de dévitrification sont alors trop grands pour envisager de produire des fibres de verre sur une installation industrielle.
  • Ces risques sont souvent atténués en ajoutant à la composition de base un ou plusieurs oxydes supplémentaires, dont le rôle essentiel est d'abaisser la TSD, voire même de changer la nature de l'espèce cristalline qui apparait à la température la plus élevée.
  • L'expérience a montré que la fabrication de fibres de verre continues à l'échelle industrielle n'est envisageable que si certaines conditions sont remplies par les verres dont elles sont issues, en particulier si l'écart entre la température correspondant sensiblement à la viscosité η, telle que log η = 2,5 et la TSD est au moins égal à 80°C et de préférence au moins égal à 100°C.
  • Par ailleurs, il est souhaitable que la température TF, qui correspond sensiblement à la viscosité η telle que log η = 2,8 soit inférieure à 1480°C, et de préférence inférieure ou égale à 1400°C, afin d'éviter une usure trop rapide des filières en alliage de platine, généralement utilisées pour l'obtention de fibres continues.
  • L'invention a pour objet des fibres de verre susceptibles d'être obtenues par étirage mécanique d'un verre qui satisfait les conditions précédemment exprimées et dont le coût est le plus réduit possible.
  • L'invention a également pour objet des fibres de verre dont la composition comprend un faible nombre de constituants et tous d'un prix réduit, à l'exception de la zircone qui est introduite toutefois en quantité modérée, lesdites fibres présentant néanmoins une excellente résistance aux milieux basiques.
  • Ces buts sont atteints grâce à des verres dont la composition est constituée des oxydes suivants dans les proportions pondérales indiquées ci-après:
    • SiO₂
    56 à 68%
    ZrO₂
    14 à 17%
    Na₂O
    12 à 20%
    K₂O
     0 à  8%
    Al₂O₃
     1 à  9%


    la somme Na₂O + K₂O étant comprise entre 14 et 22% et la somme SiO₂  + Al₂O₃ demeurant inférieure à 70%.
  • Le respect de cette dernière condition permet d'éviter une augmentation excessive de la viscosité du verre. Si SiO₂ joue son rôle traditionnel de formation du réseau vitreux ainsi que Al₂O₃, ce dernier doit être introduit en quantité modérée car, dans le contexte des verres de l'invention, cet oxyde peut augmenter les risques de dévitrification. Cet oxyde est avantageusement introduit par l'intermédiaire d'une matière première vitrifiable complexe qui apporte d'autres oxydes tels que SiO₂, Na₂O, K₂O. L'utilisation d'une telle matière première, qui forme par elle-même une combinaison d'oxydes, présente l'avantage de faciliter la fusion du mélange vitrifiable, ce qui est très appréciable dans le cas de verres visqueux par nature. Elle est de surcroit peu onéreuse.
  • Les verres appartenant au domaine défini précédemment présentent, en général, un écart supérieur à 100°C entre la température correspondant à log η = 2,5 et la TSD, lorsque la teneur en silice reste comprise entre 58 et 66% et celle de l'alumine entre 1 et 7,5%. La somme SiO₂ + Al₂O₃ sera de préférence inférieure ou égale à 68%.
  • L'amélioration de la résistance chimique d'un verre noyé dans une matrice à base de ciment est généralement due à l'action conjointe de ZrO₂ et d'un autre ou de plusieurs autres oxydes. La combinaison d'oxydes la plus courante, et certainement la plus économique, est celle réunissant ZrO₂ et un ou plusieurs oxydes alcalino-terreux; malheureusement ces derniers oxydes augmentent le plus souvent les risques de dévitrification.
  • Les verres selon l'invention présentent une excellente résistance à l'égard des milieux basiques, malgré le fait qu'ils ne contiennent qu'un seul oxyde actif à cet égard, la zircone, et que cet oxyde est introduit en quantité modérée. Ceci est d'autant plus avantageux, que le maintien de la zircone dans les limites précitées évite d'augmenter excessivement la viscosité des verres et les risques de dévitrification.
  • Cet avantage permet d'utiliser uniquement les oxydes alcalins Na₂O et K₂O pour ajuster la viscosité du verre de manière à ce que la température de fibrage TF demeure inférieure ou égale à 1480°C, tout en conservant un écart suffisant avec la TSD.
  • Si Na₂O permet à lui seul d'atteindre les objectifs fixés, il est cependant intéressant d'introduire dans les verres de l'invention une assez faible quantité de K₂O, surtout lorsque la somme des oxydes alcalins excède 19%. L'introduction de K₂O dans la composition présente certains avantages, notamment celui d'utiliser des matières premières vitrifiables complexes contenant en particulier Na₂O et K₂O.
  • Les verres de l'invention présentent d'excellentes caractéristiques notamment lorsque le pourcentage de Na₂O est maintenu entre 13 et 19% et lorsque celui de K₂O n'excède pas 6%. Il est en particulier souhaitable que la somme Na₂O + K₂O reste comprise entre 15 et 20%.
  • Les compositions de verres les plus avantageuses sont généralement comprises dans le domaine ainsi délimité:
    • SiO₂
    58 à 66%
    ZrO₂
    15 à 16%
    Na₂O
    13 à 19%
    K₂O
     1 à  6%
    Al₂O₃
     1 à  7%

  • Les caractéristiques des compositions de verres de l'invention seront mieux appréciées au travers des exemples figurant dans le tableau en annexe.
  • Les fibres de verre selon l'invention peuvent être avantageusement utilisées pour renforcer des produits à base de ciment, ainsi que le démontrent les résultats expérimentaux exposés ci-après.
  • L'aptitude au renforcement du ciment de fibres de verre répondant à une composition déterminée peut être évaluée en mesurant l'évolution de la résistance à la traction desdites fibres, après un séjour plus ou moins long dans une suspension de ciment Portland dans de l'eau.
  • Le rapport des quantités d'eau et de ciment est tel que le pH de la solution est égal à 12,6.
  • Les fibres destinées à être testées sont immergées dans cette suspension portée en permanence à la température de 80°C. Les temps de vieillissement s'échelonnent entre 1 et 17 jours.
  • La figure montre l'évolution de la résistance à la traction de fibres dont la composition correspond à celle de la colonne n° 1 du tableau. A titre de comparaison, la figure représente également l'évolution de la résistance à la traction de fibres d'un verre connu, obtenues dans les mêmes conditions que celles du verre n° 1 et soumises aux mêmes vieillissements. Le verre connu, dont l'aptitude au renforcement du ciment a été démontrée, est commercialisé sous la marque "Cemfil" et appartient aux compositions décrites dans le brevet francais n° 2 053 211.
  • Le vieillissement des deux verres est pratiquement identique et les évolutions de leurs résistances respectives peuvent être représentées par une seule courbe. Dans la mesure où la méthode utilisée est révélatrice du comportement du verre dans le ciment, l'aptitude au renforcement du ciment de la fibre correspondant à la composition n° 1 est tout à fait comparable à celle de la fibre "Cemfil".
  • Les produits à base de ciment peuvent être renforcés uniquement par des fibres de verre selon l'invention ou en les associant à d'autres fibres organiques ou minérales, telles que des fibres cellulosiques ou des fibres d'amiante.
  • Les fibres de verre selon l'invention peuvent être incorporées dans la matrice de ciment sous forme de fils continus ou des fibres coupées, comme par exemple des mèches, des rubans, des mats, des tissus, etc...
  • Le terme de ciment désigne en l'occurence les ciments hydrauliques ordinaires comme le ciment Portland. Le terme "produit à base de ciment" désigne tous les produits formés d'un mélange de ciment et d'aggrégats ou autres matières tels que sables, mica, silice ultrafine, cendres, etc...
    Figure imgb0001

Claims (7)

1. Fibres de verre continues obtenues par étirage mécanique de filets de verre s'écoulant des orifices d'une filière chauffée par effet Joule, caractérisées par le fait qu'elles sont constituées par les constituants suivants, selon les proportions pondérales ci-après:
SiO₂   56 à 68%
ZrO₂   14 à 17%
Na₂O   12 à 20%
K₂O    0 à  8%
Al₂O₃    1 à  9%


La somme de Na₂O + K₂O restant comprise entre 14 et 22% et la somme SiO₂ + Al₂O₃ demeurant inférieure à 70%.
2. Fibres de verre selon la revendication 1, caractérisées en ce que le pourcentage de SiO₂ est compris entre 58 et 66% et celui de Al₂O₃ entre 1 et 7,5%.
3. Fibres de verre selon la revendication 2, caractérisées en ce que la somme SiO₂ + Al₂O₃ demeure inférieure ou égale à 68%.
4. Fibres de verre selon l'une des revendications précédentes, caractérisées en ce que le pourcentage de Na₂O est maintenu entre 13 et 19% et celui de K₂O inférieur ou égal à 6%.
5. Fibres de verre selon la revendication 4, caractérisées en ce que la somme Na₂O + K₂O reste comprise entre 15 et 20%.
6. Fibres de verre selon l'une des revendications précédentes, caractérisées par le fait qu'elles renferment les constituants suivants selon les proportions ci-après:
SiO₂   58 à 66%
ZrO₂   15 à 16%
Na₂O   13 à 19%
K₂O    1 à  6%
Al₂O₃    1 à  7%

7. Produit à base de ciment renforcé par des fibres, caractérisé par le fait qu'au moins une partie des fibres de renforcement sont des fibres de verre selon l'une des revendications précédentes.
EP86400290A 1985-02-12 1986-02-11 Fibres de verre résistant aux milieux basiques et application de celles-ci au renforcement du ciment Expired - Lifetime EP0194910B1 (fr)

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